一种基于无人船和潜航器的混合蛙人预警方法和装置

摘要

本发明涉及无人船技术领域，提供了一种基于无人船和潜航器的混合蛙人预警方法和装置。其中，方法包括第一无人船接收针对指定区域的声呐探测消息，并向探测区域发射声呐信号；至少两艘潜航器接收针对指定区域的声呐探测消息，并在相应水域投放水听声呐光纤，所述水听声呐光纤用于接收第一无人船释放的第一声呐信号和被蛙人反射后的第二声呐信号；根据各潜航器反馈的第一声呐信号和第二声呐信号确定蛙人的位置信息。本发明实施例利用携带水听声呐光纤的潜航器，提供了一种辅助探测蛙人的预警方法，能够在原有的声呐设备和工作功率的情况下，进一步提高探测范围，能够提高无人船的预警范围。

说明书

【技术领域】

本发明涉及无人船技术领域，特别是涉及一种基于无人船和潜航器的混合蛙人预警方法和装置。

【背景技术】

当前蛙人成为浅海入侵、港口渗透侦察、定向引导、恐怖袭击破坏和局部冲突的主角。国外大力发展各种近岸作战技术、装备,建立水下作战、渗透蛙人部队,发展水面和水下无人作战平台,先进的蛙人输送装置等。针对以上威胁,港口等的近岸水域水下安全防御迅速成为世界各国关注的焦点。

专用的蛙人探测声呐系统作为对水下蛙人等目标最有效的探测技术,在当前成为争相优先发展的最重要技术。随着多波束声呐技术、数据库技术、目标识别技术、光纤传输技术、实时数字信号处理技术的发展和结合,专用的蛙人探测声呐系统的技术水平逐步提高。

现有技术中通常是依托于船体中所配备的声呐设备，发出声呐信号，并根据发射的声呐信号判断目标物体，这种方式对于常规具有大功率能源供应的船体来说是没有问题的。但是，对于一些小型的无人船来说，提供类似的大功率不仅不现实，而且会很大程度上影响无人船的体积(为了承载足以支撑相应功率的能源和设备)和续航能力。若减小了可供声呐设备使用的功率，则会一定程度上限缩原有发射声呐信号到接收反射声呐信号的检测方式的检测范围。因此，有必要对于无人船这样的对输出功率有特殊要求的应用领域，构思如何弥补声呐设备在相应功率下检测距离被限缩的问题。

【发明内容】

本发明实施例要解决的技术问题是利用固定在水底的水听声呐光纤，配合声呐设备完成多种情况下的蛙人探测过程，会带来铺设成本上的浪费，并不能有效的针对特定情况下的探测任务，有效的利用水听声呐光纤资源。

本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种基于无人船和潜航器的混合蛙人预警方法，包括第一无人船和至少两艘潜航器，其中，第一无人船中设置有声呐发射设备，所述潜航器中配备有水听声呐光纤；

所述第一无人船接收针对指定区域的声呐探测消息，并向探测区域发射声呐信号；

所述至少两艘潜航器接收针对指定区域的声呐探测消息，并在相应水域投放水听声呐光纤，所述水听声呐光纤用于接收第一无人船释放的第一声呐信号和被蛙人反射后的第二声呐信号；

根据各潜航器反馈的第一声呐信号和第二声呐信号确定蛙人的位置信息。

优选的，所述水听声呐光纤包括至少两个检测区，其中，被释放的水听声呐光纤垂于潜航器之下，则潜航器根据所反馈的检测信号所对应的水听声呐光纤检测区的标号，确定当前检测到的第一声呐信号和/或第二声呐信号的深度。

优选的，在确定所述指定区域的水域深度大于一艘潜航器所配备的水听声呐光纤长度，而小于n艘潜航器所配备的水听声呐光纤总长度时，其中，n为自然数；

调度n艘潜航器，各潜航器的船体与前一潜航器所释放的水听声呐光纤长度的端部完成耦合。

优选的，所述根据各潜航器反馈的第一声呐信号和第二声呐信号确定蛙人的位置信息，具体为：

至少两艘潜航器接收针对指定区域的声呐探测消息后，移动到与所述第一无人船相差预设水平距离，且位于指定深度的水域位置；

根据所述水平距离、第一声呐信号和第二声呐信号的深度参数值计算得到蛙人的位置信息。

优选的，所述蛙人的目标确认具体包括：

各潜航器反馈的第一声呐信号和第二声呐信号确定目标的移动速度、目标强度、目标的水深、目标的移动方向中的一项或者多项；

根据蛙人对应上述各项内容，在当前水域下的区间参数，判断目标为蛙人。

第二方面，本发明提供了一种潜航的装置，潜航器包括控制单元、通讯单元、水听声呐光纤驱动模组、动力模块和水听声呐光纤，其中，通讯单元、水听声呐光纤驱动模组和动力模块分别连接所述控制单元，具体的：

所述水听声呐光纤驱动模组包括检测信号驱动电路和水听声呐光纤带动电机；

所述通讯单元用于接收针对指定区域的声呐探测消息，并转发给所述控制单元；还用于发送接收自控制单元的第一声呐信号和第二声呐信号的相关信息；

所述控制单元，用于调动所述水听声呐光纤带动电机在相应水域投放水听声呐光纤，所述水听声呐光纤用于接收第一无人船释放的第一声呐信号和被蛙人反射后的第二声呐信号，并通过所述检测信号驱动电路生成所述第一声呐信号和第二声呐信号的相关信息。

优选的，所述水听声呐光纤包括至少两个检测区，其中，被释放的水听声呐光纤垂于潜航器之下，其中，水听声呐光纤的端部还设置有定位器，所述定位器用于其它潜航器完成水听声呐光纤的端部定位。

优选的，所述潜航器还包括与水听声呐光纤的端部定位器所匹配的传感器。

优选的，所述水听声呐光纤带动电机包括一工字轮、一电机、一组传动齿轮，具体的：

所述传动齿轮耦合在电机与所述工字轮之间，将电机的扭力传导给所述工字轮；

所述工字轮的两侧壁上分布有一组红外传感器，其中，红外传感器的分布间隔与所述水听声呐光纤的直径相对应；所述红外传感器用于反馈当前一侧的水听声呐光纤是否打轴到位。

优选的，所述水听声呐光纤带动电机中还包括一旋转架，其中，所述工字轮、一电机、一组传动齿轮均固定在所述旋转架中，具体的：

所述旋转架用于在工字轮的一侧红外传感器检测到水听声呐光纤已经通过打轴靠近距离小于预设阈值时，旋转所述旋转架以便水听声呐光纤能够调整向工字轮的另一侧打轴。

本发明利用携带水听声呐光纤的潜航器，提供了一种辅助探测蛙人的预警方法，相比较现有技术中仅依托于无人船中所配备的声呐设备自己发射声呐信号、自己分析接收到的声呐信号，从而得出蛙人探测结果的方式，本发明实施例所提供的方法能够在原有的声呐设备和工作功率的情况下，进一步提高探测范围，能够提高无人船的预警范围。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于无人船和潜航器的混合蛙人预警方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种基于无人船和潜航器的混合蛙人预警系统示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种基于无人船和潜航器的混合蛙人预警系统示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种基于无人船和潜航器的混合蛙人预警系统示意图；

图5是本发明实施例提供的一种水听声呐光纤结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种基于无人船和潜航器的混合蛙人预警系统示意图；

图7是本发明实施例提供的一种基于无人船和潜航器的混合蛙人预警系统示意图；

图8是本发明实施例提供的一种计算蛙人位置信息原理示意图；

图9是本发明实施例提供的一种计算蛙人位置信息原理的简化示意图；

图10是本发明实施例提供的一种潜航的装置结构示意图；

图11是本发明实施例提供的一种潜航的装置局部结构示意图；

图12是本发明实施例提供的一种工字轮结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种基于无人船和潜航器的混合蛙人预警方法，包括第一无人船和至少两艘潜航器，其中，第一无人船中设置有声呐发射设备，所述潜航器中配备有水听声呐光纤，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

在步骤201中，所述第一无人船接收针对指定区域的声呐探测消息，并向探测区域发射声呐信号。

其中，第一无人船可以是水上无人船，也可以是潜航器。对于水上无人船来说，为了达到更好的探测效果，用于向探测区域发射声呐信号的声呐设备可以是通过悬挂设备从第一无人船船体中释放到水下预设深度后，才开始所述声呐信号的发射。而对于所述第一无人船具体为潜航器时，则用于探测区域发射声呐信号的声呐设备可以是固定在船的外侧，并通过将相应潜航器下沉到预设深度的水域后，开启声呐设备进行声呐信号的发射。

在步骤202中，所述至少两艘潜航器接收针对指定区域的声呐探测消息，并在相应水域投放水听声呐光纤，所述水听声呐光纤用于接收第一无人船释放的第一声呐信号和被蛙人反射后的第二声呐信号。

其中，投放水听声呐光纤的方式包括投放在海底和/或以垂于潜航器的方式竖直位于水域中。如图2所示，为一种第一无人船为水上无人船，其声呐设备为固定在船体上方式工作，潜航器采用水平投放水听声呐光纤到海底的组合结构(具体探测实例中，所述第一无人船和所述潜航器的数量均不限于如图2所示的一个)；如图3所示，为一种第一无人船为水上无人船，其声呐设备为下沉到水域中方式工作，潜航器采用下垂投放水听声呐光纤的组合结构(具体探测实例中，所述第一无人船和所述潜航器的数量均不限于如图3所示的一个)；如图4所示，为一种第一无人船为水上无人船，其声呐设备为固定在船体上方式工作，潜航器包括两艘，并且分别采用水平投放水听声呐光纤到海底和下垂投放水听声呐光纤的组合结构(具体探测实例中，所述第一无人船和所述潜航器的数量均不限于如图4所示的数量)。

在步骤203中，根据各潜航器反馈的第一声呐信号和第二声呐信号确定蛙人的位置信息。

本发明实施例利用携带水听声呐光纤的潜航器，提供了一种辅助探测蛙人的预警方法，相比较现有技术中仅依托于无人船中所配备的声呐设备自己发射声呐信号、自己分析接收到的声呐信号，从而得出蛙人探测结果的方式，本发明实施例所提供的方法能够在原有的声呐设备和工作功率的情况下，进一步提高探测范围，能够提高无人船的预警范围。

为了进一步提高潜航器所配备的水听声呐光纤的信号反馈效率，结合本发明实施例还提供了一种优选的实现方案，如图5所示，所述水听声呐光纤包括至少两个检测区，其中，被释放的水听声呐光纤垂于潜航器之下，则潜航器根据所反馈的检测信号所对应的水听声呐光纤检测区的标号，确定当前检测到的第一声呐信号和/或第二声呐信号的深度。每段水听声呐光纤(图中标注的n，n+1，n+2即为各段水听声呐光纤的标识)的起始端和终止端分别连接信号端口B和信号端口A，用于在采集到声呐信号时，向潜航器的控制单元反馈采集结果，以便所述控制单元根据接收到采集结果的水听声呐光纤以及其相应标识，计算出采集到声呐信号的距离。

在本发明实施例中，由于潜航器自身体积不会制作的很大(避免自身目标容易暴露)，因此，其携带的水听声呐光纤的长度也是有限的，通常情况下对于较深水域的探测，会需要多艘潜航器通过衔接各潜航器的水听声呐光纤，从而形成一个足够覆盖范围的水听声呐光纤阵列，所述水听声呐光纤阵列的效果图如图6所示。因此，结合本发明实施例还存在一种优选的实现方案，具体的，在确定所述指定区域的水域深度大于一艘潜航器所配备的水听声呐光纤长度，而小于n艘潜航器所配备的水听声呐光纤总长度时，其中，n为自然数；

调度n艘潜航器，各潜航器的船体与前一潜航器所释放的水听声呐光纤长度的端部完成耦合。如图6所示，为一从水域截面正视结构示意图，其中n具体为3。其中，潜航器2与潜航器1的水听声呐光纤的端部完成耦合，潜航器3与潜航器2的水听声呐光纤的端部完成耦合。其中，所述耦合的方式可以是利用接口完成固定，也可以是利用传感器检测实现相对位置的固定等等。

结合本发明实施例，对于步骤203中涉及的根据各潜航器反馈的第一声呐信号和第二声呐信号确定蛙人的位置信息，提供了一种具体的实现方法：

至少两艘潜航器接收针对指定区域的声呐探测消息后，移动到与所述第一无人船相差预设水平距离，且位于指定深度的水域位置。

由于蛙人自身具有潜水深度会因为其自身的生理特性限缩在200米水深以内，因此，本发明实施例所提出的基于多无人船的蛙人预警系统更多的是用于预警更广范围内可能存在蛙人情况，并根据探测结果进一步通过调整第一无人船的位置完成蛙人的精确跟踪。

根据所述水平距离、第一声呐信号和第二声呐信号的深度参数值计算得到蛙人的位置信息。

其中，第一声呐信号和第二声呐信号可以是来自于一艘潜航器的，或者是来自多艘潜航器，并且，可以是多艘潜航器均反馈有一组第一声呐信号和第二声呐信号。如图7所示，为本发明实施例提供的一种基于水平放置水听声呐光纤和垂直放置水听声呐光纤组合方式下，如何计算图中第一蛙人位置信息的方法。

如图8所示，为图7所示结构图中提炼出相应信号模型后的简化图，其中，目标就是求解出bx和ax，而其中a1-a3，以及b1-b3均为已知参数，例如：a1可以根据潜航器1所处的水深和采集到第二声呐信号的水听声呐光纤所在标号(图7中为○所示)，相应标号可转换为相应水听声呐光纤所在深度，因此，可以计算得到所述a1参数值；a2参数值和所述a1参数值的计算方式相似，在此不再赘述；而a3参数值可以通过采集到第二声呐信号的水听声呐光纤所在标号(图7中为○所示)和采集到第一声呐信号的水听声呐光纤所在标号(图7中为●所示)之间的距离差计算得到。类似的，b1-b3可以参照上述获得a1-a3的方式计算得到，在此不再赘述。

在实际情况中，由于蛙人目标体积相对于声呐信号的波长是忽略不计的，因此，在具体实现的时候图中●所示和■所示的信号接收点是同一点(图8所示原理图因为无法按照对应比例来描绘，因此表现的两者相差较大)，等效模型如图9所示，此时，根据相似三角形比例关系有bx/b2＝ax/a2(1)，然后根据余弦定理得AE²＝AC²+CE²-2AC*CE*Cosθ，即其中，根据所述公式(1)、(2)和(3)计算得到ax和bx。根据所述ax和bx便可转换为所述图7中所示第一蛙人的位置信息。

在本发明实施例中，所述蛙人的目标确认具体包括：

各潜航器反馈的第一声呐信号和第二声呐信号确定目标的移动速度、目标强度、目标的水深、目标的移动方向中的一项或者多项；

根据蛙人对应上述各项内容，在当前水域下的区间参数，判断目标为蛙人。

实施例2:

在提出了如实施例1所述的一种基于无人船和潜航器的混合蛙人预警方法后，本发明实施例还提出了一种潜航的装置(在实施例1中也被称为潜航器)，可用于提供实施例1所述方法中相应潜航的功能，如图10所示，潜航的装置包括控制单元、通讯单元、水听声呐光纤驱动模组、动力模块和水听声呐光纤，其中，通讯单元、水听声呐光纤驱动模组和动力模块分别连接所述控制单元，具体的：

所述水听声呐光纤驱动模组包括检测信号驱动电路和水听声呐光纤带动电机；如图11所示，为本发明实施例提供的潜航的装置中水听声呐光纤带动电机的局部结构图。

所述通讯单元用于接收针对指定区域的声呐探测消息，并转发给所述控制单元；还用于发送接收自控制单元的第一声呐信号和第二声呐信号的相关信息；

所述控制单元，用于调动所述水听声呐光纤带动电机在相应水域投放水听声呐光纤，所述水听声呐光纤用于接收第一无人船释放的第一声呐信号和被蛙人反射后的第二声呐信号，并通过所述检测信号驱动电路生成所述第一声呐信号和第二声呐信号的相关信息。

其中，动力模块为所述潜航的装置提供水下移动所要求的基本功能，包括电机、螺旋桨、变速齿轮组等等。

本发明实施例利用携带水听声呐光纤的潜航的装置，提供了一种辅助探测蛙人的预警方法，相比较现有技术中仅依托于无人船中所配备的声呐设备自己发射声呐信号、自己分析接收到的声呐信号，从而得出蛙人探测结果的方式，本发明实施例所提供潜航的装置能够用于支撑实施例1的方法实现，能够在原有的声呐设备和工作功率的情况下，进一步提高探测范围，能够提高无人船的预警范围。

结合本发明实施例，存在一种优选的实现方案，如图5和图11所示，所述水听声呐光纤包括至少两个检测区，其中，被释放的水听声呐光纤垂于潜航的装置之下，则潜航的装置根据所反馈的检测信号所对应的水听声呐光纤检测区的标号，确定当前检测到的第一声呐信号和/或第二声呐信号的深度。其中，水听声呐光纤的端部还设置有定位器，所述定位器用于其它潜航的装置完成水听声呐光纤的端部定位。相应的，所述潜航的装置还包括与水听声呐光纤的端部定位器所匹配的传感器。

结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，所述水听声呐光纤带动电机包括一工字轮、一电机、一组传动齿轮，具体的：

所述传动齿轮耦合在电机与所述工字轮之间，将电机的扭力传导给所述工字轮；

所述工字轮的两侧壁上分布有一组红外传感器，如图12所示，其中，红外传感器的分布间隔与所述水听声呐光纤的直径相对应；所述红外传感器用于反馈当前一侧的水听声呐光纤是否打轴到位。

基于上述优选的实现方案基础上，为了进一步提高打轴的工整度和紧密性，结合本发明实施例还提供了一种改进方案，如图11所示，，所述水听声呐光纤带动电机中还包括一旋转架，其中，所述工字轮、一电机、一组传动齿轮均固定在所述旋转架中，具体的：

所述旋转架用于在工字轮的一侧红外传感器检测到水听声呐光纤已经通过打轴靠近距离小于预设阈值时，旋转所述旋转架以便水听声呐光纤能够调整向工字轮的另一侧打轴。以图11所示效果图为例，此时水听声呐光纤正处于第一层打轴过程中，当第一层打轴即将完成时(即水听声呐光纤覆盖完工字轮表面，形成第一层打轴)，水听声呐光纤与工字轮的接触点来到图11中所示的右侧，则这时候为了打轴的工整度和紧密度(从而能够在有限的空间下容纳更长的水听声呐光纤)，旋转架控制工字轮逆时针旋转，使得打轴的方向朝向现在图11中工字轮的左侧。考虑到无人船更多的是处于直线运动状态，因此，存在一种配合打轴的旋转架控制过程，即打轴方向为图11中所示向右侧时，旋转架顺时针缓慢旋转，打轴方向为图11中所示向左侧时，旋转架逆时针缓慢旋转。其中，旋转的速度根据打轴的速度以及水听声呐光纤的粗细程度决定，以打轴的紧密程度达到水听声呐光纤相邻之间贴紧为宜。

值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。